摘 要： 設(shè)計(jì)了一種基于FreeRTOS嵌入式操作系統(tǒng)的二維條碼無(wú)線傳輸系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法和多點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌房刂茩C(jī)制。系統(tǒng)主控芯片采用通用的MCU芯片STM32，結(jié)合二維碼掃描引擎和藍(lán)牙傳輸模組實(shí)現(xiàn)多個(gè)掃描終端與基座間的數(shù)據(jù)傳輸。

　　關(guān)鍵詞： 嵌入式；二維碼；點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)

0 引言

　　二維條碼具有快速、準(zhǔn)確、成本低、信息容量大、保密防偽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在票務(wù)、零售、倉(cāng)儲(chǔ)、物流等應(yīng)用領(lǐng)域，支持多個(gè)二維碼掃描終端的多點(diǎn)無(wú)線傳輸系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，能快速識(shí)別二維條碼，并支持多個(gè)手持掃描終端（多點(diǎn)）實(shí)時(shí)傳輸高密度二維條碼數(shù)據(jù)，在有限的工作空間內(nèi)，避免了配置多套掃描設(shè)備的重復(fù)投入，降低了管理復(fù)雜度，節(jié)約了PC端的接口資源。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　以本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在倉(cāng)儲(chǔ)管理中的應(yīng)用為例。在物流倉(cāng)儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)出庫(kù)登記、貨物清點(diǎn)時(shí)，往往需要多名人員同時(shí)作業(yè)。其中某一位人員用手持掃描設(shè)備掃描貨物上的二維條碼，系統(tǒng)提示掃描解碼完成并成功發(fā)送到PC端后再進(jìn)行下一個(gè)條碼的掃描。若解碼失敗，提示重新掃描；若無(wú)線傳輸失敗，則暫存掃描數(shù)據(jù)，等待無(wú)線鏈路正常后重發(fā)。系統(tǒng)正常工作時(shí)，條碼數(shù)據(jù)具有突發(fā)傳輸?shù)奶匦浴?/p>

　　除掃描貨物條碼外，系統(tǒng)還能識(shí)別特定的二維設(shè)置條碼，方便人員對(duì)功能進(jìn)行實(shí)時(shí)配置。系統(tǒng)可配置記憶功能，當(dāng)暫時(shí)超出無(wú)線信號(hào)覆蓋范圍時(shí)能保證存儲(chǔ)容量范圍內(nèi)的用戶數(shù)據(jù)不丟失。安全認(rèn)證功能能對(duì)接入系統(tǒng)的掃描終端進(jìn)行鑒權(quán)，以保證無(wú)線鏈路的數(shù)據(jù)安全。系統(tǒng)可自動(dòng)適配PC端口，包括標(biāo)準(zhǔn)串口、鍵盤和USB接口，同時(shí)接收來(lái)自PC端的參數(shù)配置指令。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)由無(wú)線手持掃描終端（Scanner）和基座（Cradle）兩部分子設(shè)備組成，采用模塊化思想劃分硬件功能模塊。其中掃描終端包括二維碼數(shù)據(jù)采集模塊（2D模塊）、MCU核心處理模塊（MCU模塊）和藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊（BT模塊）?；鶆t包括BT模塊、MCU模塊和PC端口適配模塊。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2.1 MCU核心處理模塊

　　本系統(tǒng)的MCU模塊采用意法半導(dǎo)體公司（ST）生產(chǎn)的基于ARM Contex_M3內(nèi)核的STM32F103微控制器。其工作頻率可達(dá)72 MHz，具有3個(gè)UART、2個(gè)SPI通信接口，以及7通道DMA控制器。掃描終端內(nèi)MCU的串口1連接2D模塊PL3307，使用內(nèi)置DMA控制器提高數(shù)據(jù)接收能力；串口2與BT模塊相連?；鶅?nèi)MCU的串口1與BT模塊相連；通過(guò)串口2與PC端口適配模塊相連，若為標(biāo)準(zhǔn)串口，其通信速率可配置，但一般不超過(guò)57 600 b/s，以匹配各類上位機(jī)通信接口的傳輸能力。掃描終端和基座均配置了SPI接口的16 Mbit Flash存儲(chǔ)器，以支持大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)。在掃描終端設(shè)計(jì)休眠喚醒電路，結(jié)合MCU的睡眠和待機(jī)模式減少設(shè)備電耗，提高待機(jī)時(shí)間。掃描終端設(shè)計(jì)電壓檢測(cè)電路，基座設(shè)置充電電路和充電卡槽，方便對(duì)掃描終端進(jìn)行電源管理和電池充電。

　　2.2 2D模塊SE3307成像引擎

　　2D模塊是掃描設(shè)備的重要組成部分，是傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)入口，采用摩托羅拉集成PL3307硬件解碼芯片的SE3300成像引擎，可以識(shí)別目前幾乎所有的一維和二維條碼。其支持兩種方式修改引擎的工作參數(shù)：配置條碼掃描設(shè)置和通信接口（如RS-232）設(shè)置。通信速率默認(rèn)為9 600 b/s，系統(tǒng)正常工作時(shí)需設(shè)置成115 200 b/s以滿足大數(shù)據(jù)量傳輸。引擎支持用戶交互模式，即解碼數(shù)據(jù)以引擎自有數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送，在接收到反饋幀時(shí)確認(rèn)數(shù)據(jù)發(fā)送成功[1]。本系統(tǒng)即采用了這種傳輸模式。

　　2.3 藍(lán)牙通信模塊[2]

　　藍(lán)牙通信模塊選用基于CSR芯片組的藍(lán)牙模組，內(nèi)置完整的藍(lán)牙協(xié)議棧，支持工作模式（主模式或從模式）動(dòng)態(tài)配置，當(dāng)多個(gè)模組配置成一主多從的組合時(shí)，支持多通道藍(lán)牙通信。模組支持?jǐn)?shù)據(jù)的協(xié)議傳輸，便于多點(diǎn)通信系統(tǒng)中對(duì)多路數(shù)據(jù)的識(shí)別，但藍(lán)牙模組會(huì)對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分包發(fā)送，需在軟件設(shè)計(jì)時(shí)解決組包問(wèn)題。模組可配置是否自動(dòng)連接。自動(dòng)連接時(shí)，加電啟動(dòng)后主從設(shè)備會(huì)自動(dòng)建立連接，并且識(shí)別與記憶對(duì)方設(shè)備；人工連接時(shí)，可通過(guò)特定指令控制模組的連接過(guò)程。模組提供安全認(rèn)證功能對(duì)接入的設(shè)備進(jìn)行鑒權(quán)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)設(shè)置模組通信速率為115 200 b/s。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文采用的FreeRTOS是一個(gè)輕量級(jí)的嵌入式操作系統(tǒng)，可基本滿足傳輸系統(tǒng)的多任務(wù)操作要求，并且其支持STM32系列芯片。根據(jù)系統(tǒng)的具體功能特點(diǎn)分析，對(duì)掃描終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2個(gè)任務(wù)和1個(gè)中斷子程序，分別為2D接收任務(wù)（S_2DTask）和主任務(wù)（S_MainTask），以及“BT串口中斷子程序”；對(duì)基座端設(shè)計(jì)了3個(gè)任務(wù)，分別為BT接收任務(wù)（C_BTTask）、PC端發(fā)送任務(wù)（C_PCTask）和主任務(wù)（C_MainTask）。其中S_2DTask和C_BTTask是用戶數(shù)據(jù)的接收任務(wù)，所以具有最高優(yōu)先級(jí)，其余任務(wù)具有次高優(yōu)先級(jí)。FreeRTOS內(nèi)核支持輪換調(diào)度算法，在沒(méi)有更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒的情況下，同一優(yōu)先級(jí)的任務(wù)共享CPU的使用時(shí)間，同時(shí)任務(wù)間通過(guò)消息隊(duì)列傳遞數(shù)據(jù)[3]。掃描終端和基座端的軟件系統(tǒng)總架構(gòu)如圖2所示。

　　3.1 掃描終端

　　S_2DTask接收2D模塊數(shù)據(jù)流，解封裝后通過(guò)“2D接收消息隊(duì)列”發(fā)送消息。S_MainTask接收到消息后，通過(guò)DMA通道將數(shù)據(jù)發(fā)送到BT模塊。為了在記憶功能打開(kāi)時(shí)對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期存儲(chǔ)，或在無(wú)線鏈路不穩(wěn)定、系統(tǒng)掉電等情況下對(duì)用戶數(shù)據(jù)或指令數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)，S_MainTask利用Flash對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)保護(hù)。因?yàn)锽T模塊接收的無(wú)線數(shù)據(jù)（如鏈路狀態(tài)信息、藍(lán)牙反饋信息等）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，處理時(shí)間短，所以由“BT串口中斷子程序”在每10 ms一次的定時(shí)中斷中接收并處理；需要轉(zhuǎn)發(fā)的指令通過(guò)“BT發(fā)送消息隊(duì)列”通知S_MainTask執(zhí)行。當(dāng)S_2DTask和S_MainTask同時(shí)向2D模組發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，使用FreeRTOS的互斥量對(duì)接口資源進(jìn)行保護(hù)，即只有當(dāng)互斥量解鎖時(shí)連接2D模塊的接口資源才可用。

　　3.2 基座端

　　數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)藍(lán)牙無(wú)線鏈路傳輸后，C_BTTask任務(wù)解析藍(lán)牙模組協(xié)議幀獲得有效用戶數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)“數(shù)據(jù)接收消息隊(duì)列”發(fā)送消息。C_MainTask任務(wù)接收消息后依據(jù)多點(diǎn)無(wú)線鏈路管理機(jī)制對(duì)接入的各掃描終端進(jìn)行傳輸控制。當(dāng)接收到一筆完整的二維碼數(shù)據(jù)后，通過(guò)“PC發(fā)送消息隊(duì)列”發(fā)送消息，C_PCTask將數(shù)據(jù)按照PC端口標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送到PC。同樣采用互斥量對(duì)連接BT模塊的接口進(jìn)行資源保護(hù)。

4 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無(wú)線鏈路傳輸控制的實(shí)現(xiàn)[4-5]

　　本文采用基于確認(rèn)機(jī)制的可靠連接傳輸模式，其傳輸控制分為順序控制、可靠性控制和流量控制3部分，主要通過(guò)統(tǒng)一的多點(diǎn)通信數(shù)據(jù)封裝協(xié)議與應(yīng)答機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　類型（TYPE）字段指明數(shù)據(jù)幀是用戶數(shù)據(jù)還是某種指令數(shù)據(jù)，若為應(yīng)答幀則用ACK和NAK代表應(yīng)答成功和失??；長(zhǎng)度（LEN）字段表示當(dāng)前數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，最大值為“數(shù)據(jù)幀最大分段長(zhǎng)度”；狀態(tài)（STAT）字段以比特為單位指示數(shù)據(jù)包的狀態(tài)信息，包括當(dāng)前數(shù)據(jù)包是否拆包傳輸、指令數(shù)據(jù)的來(lái)源設(shè)備和目的設(shè)備等；序號(hào)（NO）字段是掃描終端為每一個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀所作的順序編號(hào)，以長(zhǎng)度字段的有效取值范圍循環(huán)編號(hào)，基座接收到數(shù)據(jù)幀后根據(jù)序號(hào)字段識(shí)別各數(shù)據(jù)段的順序；有效數(shù)據(jù)（DATA）字段攜帶二維碼數(shù)據(jù)、指令參數(shù)或應(yīng)答參數(shù)；校驗(yàn)（CHECKSUM）字段為數(shù)據(jù)幀的CRC校驗(yàn)碼。

　　4.1 順序控制

　　本系統(tǒng)數(shù)據(jù)涉及高密度二維碼，在無(wú)線通信環(huán)境中適合拆分成多個(gè)較小的數(shù)據(jù)幀傳輸，即數(shù)據(jù)分段，拆分標(biāo)準(zhǔn)稱為“數(shù)據(jù)幀最大分段長(zhǎng)度”，每個(gè)數(shù)據(jù)段獲得相應(yīng)的序號(hào)字段。在無(wú)線鏈路不穩(wěn)定時(shí)，確認(rèn)機(jī)制下的數(shù)據(jù)重傳或幀丟失會(huì)導(dǎo)致接收到順序錯(cuò)亂的數(shù)據(jù)幀。

　　解決數(shù)據(jù)亂序問(wèn)題有兩種方法。一是通過(guò)使用等待指令，在同一時(shí)刻僅允許一個(gè)掃描終端發(fā)送數(shù)據(jù)，其余掃描終端則等待發(fā)送時(shí)隙。但通過(guò)藍(lán)牙協(xié)議管理無(wú)線鏈路會(huì)引起應(yīng)答延時(shí)（如本系統(tǒng)中，單個(gè)藍(lán)牙數(shù)據(jù)幀的應(yīng)答延時(shí)大約60 ms~80 ms），而且多個(gè)掃描終端并發(fā)傳輸時(shí)會(huì)導(dǎo)致最后輪到發(fā)送數(shù)據(jù)的終端等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。另一種方式是不干預(yù)發(fā)送流程，通過(guò)開(kāi)辟數(shù)據(jù)緩存區(qū)，由C_MainTask按照藍(lán)牙模組提供的通道號(hào)和數(shù)據(jù)幀的序號(hào)字段將多個(gè)掃描終端發(fā)送的分散數(shù)據(jù)包進(jìn)行按序暫存，等接收完整后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。限于MCU片內(nèi)存儲(chǔ)的容量，需結(jié)合片外Flash輔助存儲(chǔ)。將數(shù)據(jù)優(yōu)先存入片內(nèi)區(qū)域，當(dāng)片內(nèi)容量不夠時(shí)再存入片外區(qū)域，從而避免大量小數(shù)據(jù)包的讀寫操作消耗Flash的刷寫壽命。為便于排序操作，將有效數(shù)據(jù)的系統(tǒng)格式設(shè)置為“完整條碼數(shù)據(jù)長(zhǎng)度+有效數(shù)據(jù)”的結(jié)構(gòu)，同時(shí)維護(hù)兩塊存儲(chǔ)區(qū)域完整的索引表，在發(fā)送時(shí)仍能按照正確順序讀取數(shù)據(jù)。

　　4.2 可靠性控制

　　本文采用確認(rèn)的可靠性控制機(jī)制，即數(shù)據(jù)發(fā)送端僅當(dāng)收到數(shù)據(jù)幀相應(yīng)的ACK應(yīng)答幀（攜帶對(duì)應(yīng)幀序號(hào)）時(shí)才確認(rèn)數(shù)據(jù)發(fā)送成功，否則啟用超時(shí)（3 s）重傳（3次）。達(dá)到重傳次數(shù)后停止重發(fā)直至鏈路恢復(fù)正常。基座端對(duì)條碼數(shù)據(jù)的完整性和正確性進(jìn)行檢測(cè)，拋棄超過(guò)存儲(chǔ)時(shí)限的不完整數(shù)據(jù)。

　　4.3 流量控制

　　本系統(tǒng)在兩種情況下會(huì)發(fā)生系統(tǒng)存儲(chǔ)溢出。一是當(dāng)PC端采用鍵盤口或低速標(biāo)準(zhǔn)串口接收數(shù)據(jù)，以每個(gè)終端發(fā)送一個(gè)256 B的數(shù)據(jù)包為例，7個(gè)終端并發(fā)傳輸時(shí)有1 792 B數(shù)據(jù)需要接收，若PC端串口速率為57 600 b/s，則基座需要248 ms才能將這批數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。另一種情況是掃描終端記憶功能打開(kāi)時(shí)進(jìn)行掃描，而無(wú)線鏈路在中斷一段時(shí)間后又恢復(fù)正常，此時(shí)掃描終端存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)將一次性發(fā)送給基座，容易導(dǎo)致其存儲(chǔ)溢出。

　　本文采用源抑制技術(shù)進(jìn)行流量控制。當(dāng)基座端剩余存儲(chǔ)空間少于門限值時(shí)，根據(jù)BT模組提供的通道號(hào)確定發(fā)送數(shù)據(jù)幀的掃描終端，向其發(fā)送攜帶“等待時(shí)間”字段的WAIT應(yīng)答幀，使對(duì)方在“等待時(shí)間”后再進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送?！暗却龝r(shí)間”是綜合考慮基座端剩余存儲(chǔ)空間、接入掃描終端數(shù)量和PC端接口速率確定的。

5 結(jié)論

　　本文詳細(xì)闡述了基于ARM和藍(lán)牙無(wú)線鏈路構(gòu)建的二維碼點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)軟硬件的實(shí)現(xiàn)方法，并詳細(xì)表述了點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無(wú)線鏈路的傳輸控制機(jī)制。依據(jù)本文設(shè)計(jì)的二維碼無(wú)線掃描設(shè)備能較快地將條碼信息發(fā)送到PC端，支持最多7部手持終端同時(shí)連接，且各項(xiàng)用戶功能均能正常實(shí)現(xiàn)。由于采用了高性能微處理器，基于實(shí)時(shí)性較好的操作系統(tǒng)及成熟的藍(lán)牙通信網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)具有較高的適用性、可靠性和性價(jià)比，而且本系統(tǒng)成本低廉，使用體驗(yàn)良好。

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